การพับตัวและการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเนื้อเยื่อ

เซลล์แผ่นบางๆ โค้งงอ พับตัว และปรับเปลี่ยนรูปร่างได้อย่างไร — ผ่านการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์ การยึดเกาะ และแรงทางกล — เพื่อสร้างท่อและโครงสร้างสามมิติ

Definition

การพับตัวและการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเนื้อเยื่อเป็นกระบวนการทางสัณฐานวิทยาที่แผ่นและมวลของเซลล์เปลี่ยนแปลงรูปทรงเรขาคณิตของตนเอง — การโค้งงอ การยืดตัว และการจัดเรียงใหม่ — ผ่านการเปลี่ยนแปลงที่ประสานกันในรูปร่างของเซลล์แต่ละเซลล์ การยึดเกาะ และแรงที่ส่งผ่านเนื้อเยื่อ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกลไกของเซลล์ในการเกิดสัณฐานวิทยาในระดับเนื้อเยื่อ: การหดตัวที่ปลายยอดและการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์อื่นๆ ที่ทำให้เยื่อบุผิวโค้งงอ, การยืดตัวแบบรวมศูนย์ที่ทำให้เนื้อเยื่อยาวขึ้น, การยึดเกาะที่แตกต่างกันที่ทำให้เซลล์แยกประเภท, และบทบาทของแรงทางกลในการสร้างรูปร่างของอวัยวะ โดยใช้ตัวอย่างเช่น การปิดของท่อประสาทและการบุ๋มของเยื่อบุผิว

Core questions

• การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์แต่ละเซลล์ทำให้แผ่นเนื้อเยื่อทั้งหมดโค้งงอได้อย่างไร?
• เซลล์จัดเรียงตัวใหม่เพื่อทำให้เนื้อเยื่อยาวขึ้นและแคบลงได้อย่างไร?
• การยึดเกาะที่แตกต่างกันทำให้กลุ่มเซลล์แยกประเภทและสร้างรูปร่างได้อย่างไร?
• แรงทางกลมีบทบาทอย่างไรในการทำให้เนื้อเยื่อมีรูปร่าง?

Key theories

สมมติฐานการยึดเกาะที่แตกต่างกัน

เซลล์ที่มีปริมาณหรือชนิดของโมเลกุลการยึดเกาะที่แตกต่างกันจะประพฤติตัวเหมือนของเหลวที่เข้ากันไม่ได้ โดยจะแยกประเภทและรวมตัวกันเป็นทรงกลมเพื่อลดพลังงานพื้นผิว ซึ่งช่วยอธิบายว่าประชากรเซลล์ที่ผสมกันจัดระเบียบเป็นเนื้อเยื่อที่มีชั้นและรูปร่างได้อย่างไร

การควบคุมสัณฐานวิทยาด้วยกลไก

แรงที่เกิดขึ้นภายในและระหว่างเซลล์ — แรงตึง แรงอัด และการยึดเกาะ — เป็นตัวขับเคลื่อนการพับตัว การยืดตัว และการแตกแขนงอย่างแข็งขัน ทำให้กลไกของเนื้อเยื่อเป็นปัจจัยโดยตรงในการสร้างรูปร่าง แทนที่จะเป็นผลลัพธ์ที่ไม่โต้ตอบของสัญญาณเคมี

Mechanisms

แผ่นเยื่อบุผิวจะโค้งงอเมื่อเซลล์หดตัวที่พื้นผิวหนึ่ง — โดยทั่วไปคือการหดตัวที่ปลายยอดซึ่งขับเคลื่อนโดยการหดตัวของเครือข่ายแอคติน-ไมโอซิน — ทำให้แผ่นโค้งงอและเกิดเป็นร่องหรือท่อ เช่นเดียวกับการปิดของท่อประสาท เนื้อเยื่อจะยืดตัวโดยการยืดตัวแบบรวมศูนย์ ซึ่งเซลล์จะสอดแทรกเข้าหากันเพื่อทำให้เนื้อเยื่อแคบลงในแกนหนึ่งและยาวขึ้นในอีกแกนหนึ่ง การยึดเกาะที่แตกต่างกัน ซึ่งมีตัวกลางคือแคดเฮอรินและโมเลกุลการยึดเกาะอื่นๆ ทำให้เซลล์แยกประเภทเป็นชั้นและมวลกลมโดยการลดพลังงานส่วนต่อประสานให้เหลือน้อยที่สุด ตลอดกระบวนการเหล่านี้ แรงทางกลจะถูกส่งผ่านรอยต่อของเซลล์และเมทริกซ์นอกเซลล์ ดังนั้นรูปร่างสุดท้ายจึงสะท้อนถึงการทำงานร่วมกันของพฤติกรรมของเซลล์และกลไกของเนื้อเยื่อ

Clinical relevance

ความล้มเหลวของการพับตัว เช่น การปิดของท่อประสาทที่ไม่สมบูรณ์ ทำให้เกิดความพิการแต่กำเนิดที่ร้ายแรง และหลักการทางกลของการสร้างรูปร่างเนื้อเยื่อเป็นข้อมูลสำคัญในการวิศวกรรมเนื้อเยื่อและการเพาะเลี้ยงออร์แกนอยด์ ข้อมูลนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาเท่านั้นและไม่ใช่แหล่งคำแนะนำทางการแพทย์

History

สมมติฐานการยึดเกาะที่แตกต่างกัน ซึ่งพัฒนามาจากการทดลองการแยกประเภทเซลล์ ได้ให้คำอธิบายทางกายภาพเบื้องต้นเกี่ยวกับการจัดระเบียบของเนื้อเยื่อ; งานวิจัยในภายหลังได้รวมการยึดเกาะระดับโมเลกุลเข้ากับกลไกเชิงปริมาณของเนื้อเยื่อเพื่ออธิบายการพับตัวและการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง

Key figures

• Malcolm Steinberg
• Donald Ingber

Seminal works

• gilbert2016
• mammoto2010

Frequently asked questions

แผ่นเซลล์แบนๆ กลายเป็นท่อได้อย่างไร?

เซลล์ตามแนวแผ่นจะหดตัวที่ด้านหนึ่ง ทำให้แผ่นโค้งงอเป็นร่องที่ลึกขึ้นและปิดผนึกเป็นท่อ — เช่นเดียวกับการก่อตัวของท่อประสาท

แรงทางกายภาพมีส่วนในการสร้างรูปร่างของตัวอ่อนจริงหรือ?

ใช่ แรงต่างๆ เช่น แรงตึงและแรงอัดที่เกิดจากเซลล์เป็นตัวขับเคลื่อนการพับตัวและการยืดตัวอย่างแข็งขัน โดยทำงานร่วมกับสัญญาณเคมีเพื่อสร้างรูปร่างของเนื้อเยื่อ